一种燃料电池阳极的调控方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池阳极的调控方法 (Method for regulating and controlling anode of fuel cell ) 是由 唐谊平 侯广亚 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及燃料电池领域,尤其涉及一种燃料电池阳极的调控方法。其包括：对燃料电池阳极施加促进磁场,促进磁场对阳极表面的带电粒子产生作用,扰动阳极表面的带电粒子进而搅动阳极表面电解质,使带电粒子在阳极表面均匀反应并排出阳极析出的气体。本发明通过施加促进磁场对阳极进行调控,能够扰动阳极表面带电粒子的运动,进而对电解质产生扰动效果,有利于提高电解质中成分的均匀性；通过搅动阳极表面的电解质,能够避免阳极表面析出的气泡富集并连续形成气体阻隔层的问题发生；有效提高了燃料电池阳极的利用率,增大其有效反应面积,增大了电池放电量,并提高了燃料电池的效率。(The invention relates to the field of fuel cells, in particular to a method for regulating and controlling an anode of a fuel cell. It includes: and applying a promoting magnetic field to the anode of the fuel cell, wherein the promoting magnetic field acts on the charged particles on the surface of the anode, and the charged particles on the surface of the anode are disturbed to further stir the electrolyte on the surface of the anode, so that the charged particles uniformly react on the surface of the anode and discharge the gas separated out from the anode. According to the invention, the anode is regulated and controlled by applying the accelerating magnetic field, so that the motion of charged particles on the surface of the anode can be disturbed, the disturbance effect on the electrolyte is further generated, and the uniformity of components in the electrolyte is favorably improved; by stirring the electrolyte on the surface of the anode, the problem that bubbles separated from the surface of the anode are enriched and continuously form a gas barrier layer can be avoided; the utilization rate of the anode of the fuel cell is effectively improved, the effective reaction area is increased, the discharge capacity of the cell is increased, and the efficiency of the fuel cell is improved.)
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池阳极的调控方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电脑的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声污染。排放的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最具有发展前途的发电技术。
但是，现有的燃料电池却存在着一些缺陷。理论上燃料电池可在接近100%转换效率下运行，具有很高的经济性，但目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置的耗能，在不考虑排热利用的前提下总的转换效率多在45～60%范围内。其中，主要的限制在于燃料电池在工作过程中，需要将氧气一类的氧化气体在阴极所形成的带电粒子转移至阳极产于反应，反应后所产生的气体再进行排放，在该过程中，阳极表面容易形成气体阻隔层，阻碍氧化气体形成的带电粒子运动，导致部分带电粒子难以甚至无法在阳极表面参与反应形成循环，而降低整体电池的转换效率。气体阻隔层主要是由于气体排放不畅形成的，其还存在产生安全隐患的问题。此外，燃料电池中氧化气体所形成的带电粒子在阳极的反应面积小，反应效率较低，因此其还存在所产生的电流较小、受到制约等问题。
为解决此类问题，许多技术人员对燃料电池进行了改进。但目前的改进无外乎对燃料电池电极、电解液成分体系及控制系统上的改进。如中国专利局于2010年1月20日公开的用于瞬变期间的相对湿度偏移最小化的多压力状态控制的发明专利授权，授权公开号为CN100583527，其通过降低动态压力范围且因此降低动态的阴极出口气体的相对湿度范围，从而对燃料电池堆功率瞬变期间的阴极出口气体的相对湿度进行控制以提供更好的阴极出口气体相对湿度控制。在一个实施例中，所述控制系统基于燃料电池堆功率瞬变期间的燃料电池堆电流密度利用第一更窄阴极压力范围以提供更好的阴极出口气体相对湿度控制，且基于低电流密度和稳态电流密度期间的燃料电池堆电流密度利用第二更宽阴极压力范围以通过减少压缩机寄生现象而改进系统效率。其能够对燃料电池的系统效率进行改善和提升，但对于燃料电池排气不畅等问题仍无法进行良好的解决。
发明内容
为解决现有的燃料电池存在阳极产生的气体排放困难，容易形成气体阻隔层阻碍燃料电池中带电粒子运动、产生安全隐患，以及燃料电池阳极利用率低等问题，本发明提供了一种燃料电池阳极的调控方法。其首先要实现以下目的：一、通过对电解质的搅动，避免在阳极析出的气泡形成气体阻隔层；二、提高带电粒子运动的无序性，提高燃料电池阳极的有效反应面积；三、通过对阳极的调控，提高燃料电池的放电电流，进而扩大其适用性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种燃料电池阳极的调控方法，
所述方法为：
对燃料电池阳极施加促进磁场，促进磁场对阳极表面的带电粒子产生作用，扰动阳极表面的带电粒子进而搅动阳极表面电解质，使带电粒子在阳极表面均匀反应并排出阳极析出的气体。
燃料电池在反应过程中不可避免地会产生气体，尤其在其阳极表面，带电粒子从阴极向阳极移动并移动到阳极后会放出电子产生气体。在现有的燃料电池中，对燃料电池的改进大多从改进电极的结构、成分，电解质的成分等方面入手，又或者针对某个种类或型号的燃料电池设置并配备专门的调控系统，但此类的改进均具有较大的局限性，且无法对燃料电池的排气过程产生任何有益效果。
而在本发明方法中，通过施加磁场的方式，在磁场中带电粒子的运动会从原先的直线运动状态转变为一种曲线运动的的状态，曲线运动状态的带电粒子可视作体积微小的转子，在大量离子曲线运动的情况下，电解质会被搅动，尤其在阳极表面的电解质，由于阳极是促进磁场的直接施加对象，也是主要的覆盖范围，在阳极表面所施加的促进磁场对带电粒子的扰动效果明显，因此对带电粒子的搅动效果也十分显著。
在搅动电解质后，阳极表面析出的气体难以在电解质中形成富集，会被快速地排出，进而解决了燃料电池排气不畅的问题，并且，由于带电粒子对电解质的扰动，会使得带电粒子运动的无序性增大，在曲线运动过程中，带电粒子容易绕到燃料电池阳极的背面（即与阴极相背的一面），在燃料电池阳极的背面反应并析出产生气体，进而使得燃料电池阳极的正反面均能够得到有效的利用，增大燃料电池阳极的有效反应面积，提高反应效率，可提高燃料电池的放电量。
作为优选，
所述促进磁场由一个或多个源磁场组成。
单一的源磁场能够直接形成促进磁场，也能够通过组合形成复杂的促进磁场，促进磁场越复杂、电解质中的带电粒子运动无序性越大，能够更好地避免气体富集问题的发生，并能够使得带电粒子在阳极的正反面分散更加均匀，所产生的有益效果也愈发明显。
作为优选，
所述源磁场为恒定磁场或时变电磁场。
在恒定磁场的扰动作用下，带电粒子的曲线运动仍具有一定的稳定性，并且其对电解质的搅动效果较为平稳，而在时变电磁场的作用下，带电粒子对电解质的搅动存在一定的周期性，而燃料电池更需要稳定搅动电解质，以持续性地排出气体并保持阳极表面的电解质中带电粒子的均匀性。
作为优选，
组成所述促进磁场的源磁场中至少有一个恒定磁场。
由于燃料电池更需要恒定磁场所产生的对带电粒子的持续性并较为稳定的扰动效果，因此恒定磁场所产生的效果要更优于时变电磁场，在由至少一个恒定磁场作为源磁场构成的促进磁场中，能够对燃料电池阳极产生更好的调控效果。
作为优选，
所述促进磁场的磁场强度≥1.4T。
由于在燃料电池中，主要形成阻隔的对象是电解质中从阳极表面析出的气泡，其相较于常规带电粒子的富集层产生的阻隔作用更大，因此需要较大的磁场带动带电粒子产生运动以保持电解质搅动，并且要确保其搅动具有一定的强度。
作为优选，
所述促进磁场的磁场强度为2.0～2.8T。
在该磁场强度范围内，所产生的搅动电解质效果良好，而当磁场强度过大时，反而容易导致带电粒子难以在阳极发生反应，降低燃料电池效率。
作为优选，
所述促进磁场作用在燃料电池阳极表面5mm范围内。
在该范围内作用的促进磁场均能够对燃料电池产生良好的促进和调控效果。
本发明的有益效果是：
1）通过施加促进磁场对阳极进行调控，能够扰动阳极表面带电粒子的运动，进而对电解质产生扰动效果，有利于提高电解质中成分的均匀性；
2）通过搅动阳极表面的电解质，能够避免阳极表面析出的气泡富集并连续形成气体阻隔层的问题发生；
3）有效提高了燃料电池阳极的利用率，增大其有效反应面积，增大了电池放电量，并提高了燃料电池的效率。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1
在环境温度20±1℃的条件下，以泡沫镍片（PPI为100，厚度1.5mm，宽1.5cm，长2.5cm）作为工作电极，以石墨电极作为对电极，泡沫镍片与石墨相距200mm，以甘汞电极作为参比电极，并选用甲醇/氢氧化钾溶液作为电解液（甲醇和氢氧化钾浓度均为1M），搭建常规实验用燃料电池电化学体系，对泡沫镍片（表面5mm范围内）施加促进磁场。促进磁场由强永磁体提供，强永磁体产生的源磁场作用在泡沫镍片上形成的促进磁场强度为1.5～1.7T。
利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为212mA/cm2，并且产生了明显的氧化还原峰。
实施例2
具体过程与实施例1相同，所不同的是，促进磁场由一个交流电磁铁和一个直流电磁铁组合形成，为一个复杂源磁场，其作用在泡沫镍片表面5mm范围内形成的促进磁场的磁场强度为2.1～2.8T。
同样利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为247mA/cm2，并且产生了明显的氧化还原峰。
实施例3
具体步骤与实施例1相同，所不同的是，促进磁场由一个直流电磁铁所产生的恒定磁场提供，其作用在泡沫镍片表面5mm范围内形成的促进磁场的磁场强度为1.4～1.6T。
同样利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为207mA/cm2，并且产生了明显的氧化还原峰。
实施例4
具体步骤与实施例1相同，在利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测的同时利用红外遥感拍摄的方式以每100ms拍摄一种照片和连续曝光的方式对反应过程中所产生的气体进行检测。
经检测，其在终止电压时峰值电流密度为210mA/cm2，并且产生了明显的氧化还原峰，并且所产生的气体在泡沫镍片表面并从泡沫镍片表面快速上升并从溶液中释放，进入到空气中，反应结束瞬间溶液内基本无气体残留。
实施例5
具体步骤与实施例1相同，所不同的是，在电解液中加入0.1mL/L的荧光剂，以实现对溶液流动状态的观测，同时利用连续曝光的方式进行记录。
同样利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为214mA/cm2，并且产生了明显的氧化还原峰，并且在反应过程中，溶液流动具备较高的混乱性。
对比例1
具体步骤与实施例1相同，所不同的是，不施加促进磁场。
同样利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为142mA/cm2，其氧化还原峰不明显。
对比例2
具体步骤与实施例4相同，所不同的是，不施加促进磁场。
同样在利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测的同时利用红外遥感拍摄的方式以每100ms拍摄一种照片和连续曝光的方式对反应过程中所产生的气体进行检测。
经检测，其在终止电压时峰值电流密度为141mA/cm2，其氧化还原峰不明显，并且所产生的气体在泡沫镍片表面并从泡沫镍片表面少量富集、从溶液中释放的速度较慢，反应结束瞬间溶液内可明显观察到泡沫镍片表面有残留气体，并且将泡沫镍片取出后仍可观察到少量气泡残留。
对比例3
具体步骤与实施例5相同，所不同的是，不施加促进磁场。
在电解液中加入0.1mL/L的荧光剂，以实现对溶液流动状态的观测，同时利用连续曝光的方式进行记录。
同样利用CHI760E电化学工作站对该甲醇燃料电池体系反应电流进行检测，检测过程起始电压为0V、终止电压为1.2V，扫速为0.1V/s。经检测，其在终止电压时峰值电流密度为139mA/cm2，其氧化还原峰不明显，并且在反应过程中，溶液流动呈较高的有序性，放电过程呈泡沫镍片向石墨电极流动的趋势，反之充电过程呈石墨电极朝泡沫镍片流动的趋势。
综合上述实施例1～5和对比例1～3，可明显得到以下结论：
在施加促进磁场后，能够显著提高现有常规燃料电池体系的放电电流，并且促进其所产生的气体释放，避免气体富集，在促进磁场的作用下，溶液无序性得到提高，产生了优异的技术效果。
实施例6
构建燃料电池体系，其具体流程如下。
制备工作电极：选用Ni含量为50.1 at%的Ni-Ti合金置于电解液中阳极氧化90min，电解液中含有0.15M硫酸铵和0.2M乙二醇/丙三醇，乙二醇/丙三醇中乙二醇含量为5%VOL，随后在氢气气氛中500℃还原处理2h，随后依次于0.2M的NiCl2·6H2O乙醇溶液和0.2M的NH4OH乙醇溶液中常温（25±1℃）浸渍12h，得到Ni(OH)2/NTOs电极。以同样的方式制备共30片大小为1×2cm、厚度约1mm的Ni(OH)2/NTOs电极。
搭建测试体系：以所制得的Ni(OH)2/NTOs电极作为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，利用电化学工作站CHI-760（上海辰华）进行循环伏安曲线测试。测试扫描电位为0～1V，扫速为0.05V/s，环境温度为25±1℃，溶液体系为氢氧化钾和甲醛的混合水溶液，氢氧化钾浓度为1.0M，甲醛浓度为0.5M。
将所制得的三十片Ni(OH)2/NTOs电极等分为两组，其中一组依次编号为S6C1-S6C15，另一组编号为S6N1-S6N15，在S6C1-S6C15进行循环伏安曲线测试时施加与如实施例2所记载的相同磁场，所不同的是促进磁场作用在Ni(OH)2/NTOs电极表面5mm范围内。S6N1-S6N15进行相同的测试但不施加促进磁场。每进行三次循环伏安曲线测试后更换一次溶液，确保测试时溶液体系中组分浓度的稳定性。在编号为S6C13-S6C15和编号S6N13-S6N15的Ni(OH)2/NTOs电极测试时向其溶液体系中加入0.1mL/L的荧光剂，以实现对溶液流动状态的观测，同时利用连续曝光的方式进行记录。
经测试发现，编号S6C1-S6C15和编号S6N1-S6N15的Ni(OH)2/NTOs电极在测试过程中均在0.72V左右出现甲醇氧化峰，证明其甲醇催化氧化反应的进行。但在编号为S6N1-S6N15的Ni(OH)2/NTOs电极测试体系中，氧化峰电流值约为38.1～39.0 mA/cm-2，而在编号为S6C1-S6C15的Ni(OH)2/NTOs电极测试体系中，氧化峰电流值可达到44.6～46.1 mA/cm-2，从中可明显看出在施加促进磁场后，甲醇催化氧化反应得到了明显的促进作用，因而产生了更大的氧化峰电流值。
并且，从编号为S6C13-S6C15和编号S6N13-S6N15的Ni(OH)2/NTOs电极测试中可看出，编号为S6C13-S6C15的Ni(OH)2/NTOs电极测试体系中溶液的流动更具无序性，工作电极表面没有气泡富集，而编号为S6N13-S6N15的Ni(OH)2/NTOs电极测试体系中溶液的流动具有较强指向性，并且工作电极表面有气泡富集。
综上，可明显看出本发明技术方案能够对燃料电池产生非常明显的促进和优化效果。